有水储存器的密封冷却剂流场燃料电池发电设备的控制系统的制作方法
【专利摘要】系统（10）控制如下项中的至少一个：在阳极流场（28）和阴极流场（36）至少一个内的反应物流（16A，16B）的压力、流动通过阳极和/或阴极流场（26，28）的反应物流（16A，16B）的流速、通过密封的冷却剂流场（44）的冷却剂流体的温度、以及冷却剂流体的流速；以便每当由燃料电池（20）产生的功率在最大燃料电池功率输出的大约80%与大约100%之间，水（14）从水储存器（18A，18B）移动到反应物流（16A，16B）中，并且以便每当燃料电池功率小于最大功率输出的大约75%，水（14）从反应物流（16A，16B）移动到水储存器（18A，18B）中。
【专利说明】有水储存器的密封冷却剂流场燃料电池发电设备的控制系统
【技术领域】
[0001]本公开涉及适合使用在运输车辆、便携式发电设备中的或用作固定发电设备的燃料电池，并且本公开特别地涉及用于控制在通过燃料电池的反应物流中相对湿度的系统和方法。
【背景技术】
[0002]燃料电池是众所周知的，并且通常用于从富氢燃料流和含氧氧化剂流中产生电流以为电气器件供电。燃料电池通常布置在电池组组件中，所述电池组组件具有多个燃料电池，所述多个燃料电池布置有共用歧管和其它部件(例如控制器和阀等)，以形成燃料电池发电设备。许多这种发电设备利用“膜电极组件”("MEA")，所述“膜电极组件”包括作为电解质固定在相对的阳极和阴极催化剂之间的“质子交换膜”("PEM")，以及支撑材料。
[0003]在现有技术的这种燃料电池发电设备中，众所周知的是许多困难与所述设备的长期运行有关。特别地，包括冷却剂系统(所述冷却剂系统弓I导冷却剂流体穿过与MEA热交换的密封的冷却剂流场，以去除在燃料电池的运行期间产生的热量)的燃料电池发电设备必须通过控制反应物气体的温度而间接谨慎地控制经过MEA附近的反应物气体流的相对湿度。(为了在此的目的，“密封的冷却剂流场”意味着流体不能在冷却剂流场和相邻的燃料电池部件之间通过。)如果相对湿度太高，在电池运行期间在阴极催化剂处产生的水将作为液体而积聚，而不是蒸发到反应物流中。这产生了溢流，其减慢或完全中断了反应物流的流动，并且导致燃料电池运行不良或打断。
[0004]相反，如果反应物流的相对湿度太低，MEA内PHM电解质中的水分将蒸发到反应物流中，导致干燥PEM。这减缓了质子转移通过PEM，继而干扰了电力产生。干燥PEM还导致PEM恶化，以致气体反应物穿过撕裂或打断的膜是可能的。这不仅恶化了燃料电池性能，而且引起反应物气体混合的风险，其可能导致气体燃烧。
[0005]因此，存在对于燃料电池发电设备具有密封的冷却剂流场的需要，其有效地维持通过所述设备的燃料电池的反应物流的相对湿度。
【发明内容】
[0006]本公开针对用于燃料电池发电设备以从氧化剂和富氢燃料反应物流中产生电流的控制系统。每当反应物流的相对湿度大于1.00，所述系统控制水移动离开燃料电池内的反应物流并进入水储存器中。每当储存器充满，在该点过量水离开电池。(“1.00”的相对湿度意思是用于容纳气态水的反应物流的百分之一百体积被利用。)每当反应物流的相对湿度小于1.00，所述系统控制水移动离开水储存器并进入燃料电池内的反应物流和PEM(质子交换膜电解质)中。另外，控制系统使反应物流的相对湿度与燃料电池的功率输出相协调。特别地，每当由燃料电池产生的功率在燃料电池的最大功率输出的大约百分之八十与大约百分之一百之间，以水蒸气形式的水从水储存器移动到反应物流中。并且，每当由燃料电池产生的功率小于燃料电池的最大功率输出的大约百分之七十五，水从反应物流移动到水储存器的可利用(空的)体积中。(为了在此之目的，词“大约”意思是加或减百分之十)。
[0007]控制系统包括至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池包括膜电极组件("MEA")，所述膜电极组件("MEA")具有设置在阳极催化剂表面和相对的阴极催化剂表面之间的质子交换膜("PEM")。阳极流场被限定与阳极催化剂表面并与燃料入口线路流体连通，以引导富氢燃料反应物流从与阳极催化剂表面相邻的燃料入口线路流动，并且作为阳极排出流通过阳极排出装置离开阳极流场。阴极流场也被限定与阴极催化剂表面和氧化剂源流体连通，以引导氧化剂流从与阴极催化剂相邻的氧化剂入口线路流动，并且作为阴极排出流通过阴极排出装置离开阴极流场。
[0008]密封的冷却剂流场被固定成与阳极和阴极流场中的至少一个为热交换关系，以引导来自冷却剂回路入口的冷却剂流体通过冷却剂流场，并通过冷却剂回路出口离开流场。冷却剂回路包括冷却剂回路泵，冷却剂回路流速控制器，以及用于控制冷却剂流场内冷却剂流体温度的冷却剂回路热交换器。另外，水储存器被固定成与阳极流场和阴极流场的至少一个流体连通，并且被固定成与密封的冷却剂流场流体隔离。水储存器配置成用于将水移动离开所述储存器并进入到通过所述至少一个的阳极和阴极流场的反应物流中，并且用于将水移动离开通过所述至少一个的阳极和阴极流场的反应物流并进入到所述储存器中。
[0009]相对湿度传感器可被固定成与通过阳极流场和阴极流场中至少一个的反应物流连通。相对湿度控制器也被固定成在相对湿度传感器和下列项的至少一个之间连通:固定到燃料入口线路的燃料入口阀、固定到氧化剂入口线路的氧化剂入口阀、固定到氧化剂入口线路的氧化剂吹风机、固定到阳极排出装置的阳极排出阀、固定到阴极排出装置的阴极排出阀、冷却剂回路泵、冷却剂回路流速控制器、和冷却剂回路热交换器。相对湿度传感器还可以是相对湿度传感器装置，其用于确定通过阳极流场和阴极流场中至少一个的反应物流的至少一个的相对湿度。因此，相对湿度传感器装置可以是用于感测相对湿度的器件，或者可以是能够执行所述功能的任意器件或器件的组合，例如测量燃料电池运行参数并使用所感测的测量值来计算反应物流的至少一个的相对湿度的传感器。
[0010]所述相对湿度控制器配置成选择性控制如下项中的至少一个:反应物流的压力、反应物流的流速、在密封的冷却剂流场中的冷却剂的温度、流动通过密封的冷却剂流场的冷却剂流体的流速；以便每当由燃料电池产生的功率在燃料电池最大功率输出的大约百分之八十与大约百分之一百之间，水从水储存器移动到反应物流和PEM中，并且以便在储存器体积可利用时，每当由燃料电池产生的功率小于燃料电池最大功率输出的大约百分之七十五(75%)，水从反应物流或PEM移动到水储存器中。在可选实施例中，如果在燃料电池最大功率输出的80%以上运行时储存器变得耗尽,控制系统可以包括减免(de-rate)功率功能。在优选实施例中，水储存器包括限定在分开的多孔体中或在分开的多孔体附近的微孔，所述分开的多孔体被固定成与阳极和阴极流场的至少一个流体连通。
[0011]在控制系统的运行中，因为由负载(例如由运输车辆的电动机)对电力的需求增力口，由燃料电池产生的电流密度增加，并且因此MEA (膜电极组件)中的热产生增加，这导致MEA中以及流场内的温度上升。此增加的温度引起反应物流内的相对湿度下降，这导致容纳在水储存器中的水蒸发到反应物流中从而增加相对湿度。相对湿度控制器配置成维持阳极和阴极流场中至少一个内的反应物流的相对湿度大于1.00，直到燃料电池的功率输出达到燃料电池最大功率输出的大约百分之七十五。当反应物流的相对湿度大于1.0O时，由燃料电池产生的水移动到水储存器中直到其满，并且过量水在阴极排出流内从燃料电池去除。当燃料电池的功率输出增加至最大可能功率输出的大约百分之八十与百分之一百之间时，温度增加，并且相对湿度降低，以致容纳在水储存器中的水蒸发到反应物流中。
[0012]容纳在水储存器中的水的这种蒸发还有助于冷却储存器和相邻的MEA。反应物流的较高相对湿度和蒸发性冷却还将允许在高电流密度处以较高的冷却剂离开温度而操作燃料电池发电设备。这将降低对于燃料电池发电设备冷却其自身的寄生功率要求并减小散热器尺寸。另外，在低电流输出时在最大相对湿度处操作燃料电池能够通过改变氧化剂反应物流的流速、反应物流的压力等被控制以防止过量水溢流。
[0013]水储存器限定了足够的体积以保留充足水，用于在对燃料电池提出预期的高功率要求期间将反应物流的相对湿度维持在1.00或大约1.00。换言之，特别的燃料电池(例如用于运输车辆的燃料电池，或用于固定发电设备的燃料电池)将具有高功率输出的可预见持续时间。由水储存器限定的水容纳体积被构造为在这种高功率输出的预定持续时间期间将反应物流的相对湿度维持在1.00或大约1.00。由水储存器限定的优选水容纳体积是将反应物流的相对湿度维持在1.00或大约1.00达大约五分钟的足够体积。在高功率输出的预定持续时间之后(例如五分钟的持续时间)，控制系统可以发起减免功能以使燃料电池返回从而在少于燃料电池最大功率输出的大约百分之七十五(75%)处运行。本控制系统的一个或多个储存器还通过从反应物流场毛细吸水(wick water)而协助燃料电池运行,并且总体上使水的去除更容易。本公开还包括操作燃料电池发电设备以维持通过发电设备燃料电池的反应物流的有效相对湿度的方法(如上所述，并在下文更加详细地描述)。
[0014]因此，本公开的总体目的是提供用于具有水储存器的密封的冷却剂流场燃料电池发电设备的控制系统，其克服了现有技术的缺陷。
[0015]更加具体的目的是:提供用于具有水储存器的密封的冷却剂流场燃料电池发电设备的控制系统，其有效维持发电设备燃料电池内反应物流的最佳相对湿度。
[0016]当结合附图阅读下面的说明时，用于具有水储存器的密封的冷却剂流场燃料电池发电设备的本控制系统的这些和其它目的和优点将变得更易于可见。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本公开的用于具有水储存器的密封的冷却剂流场燃料电池发电设备的控制系统的简化的示意性图示。
[0018]图2是图表，其将离开燃料电池的反应物流的相对湿度示出为电压、电流密度和热量的函数。
[0019]图3是图表，其示出了响应于燃料电池运行温度增加的图2图表中反应物流的相对湿度上的变化。
【具体实施方式】
[0020]详细地参考附图，用于具有水储存器的密封的冷却剂流场燃料电池发电设备的控制系统示出在图1中，并且总体上由附图标记10标示。系统10应用于燃料电池发电设备12以从氧化剂和富氢燃料反应物流产生电流。每当反应物流16A，16B的相对湿度大于1.00，系统10控制水14移动离开反应物流16A，16B并进入水储存器18A，18B中。(相对湿度“1.00”意思是用于容纳气态水的反应物流16A，16B的百分之一百的体积被利用。)。
[0021]每当反应物流16A，16B的相对湿度小于1.00，系统10控制水14移动离开水储存器18A，18B并进入反应物流16A，16B中。另外，控制系统10使反应物流16A，16B的相对湿度与燃料电池20的功率输出相协调。特别地，每当由燃料电池20产生的功率在燃料电池20最大功率输出的大约百分之八十与大约百分之一百之间,水14从水储存器18A，18B的至少一个移动到反应物流16A，16B的至少一个中。并且，每当由燃料电池20产生的功率小于燃料电池20的最大功率输出的大约百分之七十五,水14从反应物流16A，16B的至少一个移动到水储存器18A，18B的至少一个中。(为了在此之目的，词“大约”意思是加或减百分之五)。在优选实施例中，燃料电池20将配置成使得在其运行时间的50%期间，并且优选地在其运行时间的75%期间，水14从反应物流16A，16B的至少一个移动到水储存器18A，18B的至少一个中。控制系统10和燃料电池20将因此被构造为使得在其运行时间的50%期间并且优选地在燃料电池20运行时间的75%期间，燃料电池20产生少于其最大功率输出的大约75%。
[0022]控制系统10包括至少一个燃料电池20，所述燃料电池20包括膜电极组件22("MEA")，所述膜电极组件22 ("MEA")具有设置在所述MEA的阳极催化剂表面24和相对的阴极催化剂表面26之间的质子交换膜23(〃PEM〃)。阳极流场28被限定与阳极催化剂表面24并与燃料入口线路30流体连通，以引导富氢燃料反应物流从燃料存储源32流动通过与阳极催化剂表面24相邻的燃料入口线路30，并且作为阳极排出流通过阳极排出装置34离开阳极流场28。阴极流场36也被限定与阴极催化剂表面26和氧化剂源38 (例如大气或氧化剂存储容器38)流体连通，以引导氧化剂反应物流从与阴极催化剂表面26相邻的氧化剂入口线路40流动，并且作为阴极排出流通过阴极排出装置42离开阴极流场36。
[0023]密封的冷却剂流场44被固定成与阳极流场28和阴极流场36 (如图1中所示)中的至少一个为热交换关系，以引导来自冷却剂回路48的冷却剂入口 46的冷却剂流体通过密封的冷却剂流场44，并通过冷却剂回路48的冷却剂回路出口 50离开流场44。冷却剂回路48还包括冷却剂回路泵52、(可能地)用于控制通过冷却剂回路48和冷却剂流场44的冷却剂流体的流速的冷却剂流速控制阀53、以及用于控制通过冷却剂流场44的冷却剂流体温度的冷却剂回路热交换器54。
[0024]至少一个水储存器18A，18B被固定成与阳极流场28和阴极流场36的至少一个流体连通，并且还被固定成与密封的冷却剂流场44流体隔离。水储存器18A，18B被配置成用于使水移动离开储存器18A，18B并进入到位于至少一个阳极流场28和阴极流场36中的反应物流16A，16B,并且使水移动离开位于至少一个阳极流场28和阴极流场36中的反应物流16A，16B并进入到水储存器18A，18B中。例如，如果反应物流是通过阴极流场36的氧化剂反应物流16A，与阴极流场36相邻而固定的水储存器18A将水14转移进入和离开氧化剂反应物流16A，这取决于所述流16A的相对湿度。图1示出了与MEA 22的相对表面相邻的储存器18A，18B，然而，储存器18A，18B可以定位在不同的位置(如果它们保持与反应物流16A，16B的至少一个流体连通)。
[0025]相对湿度传感器60可被固定成与通过阳极流场28和阴极流场36中至少一个的反应物流连通。优选地，相对湿度传感器60被固定成与阴极排出装置42内的阴极排出流连通，如图1中示意性示出的。相对湿度传感器60可以是Sensirion SHTlO (其从www.sensirion.com可得),或可以是本领域中已知的并且能够感测反应物流16A, 16B的相对湿度并传达所感测的相对湿度的任意结构。
[0026]如上所述，相对湿度传感器60还可以是相对湿度传感器装置60，其用于确定通过阳极流场28和阴极流场36至少一个的反应物流16A，16B中至少一个的相对湿度。因此，相对湿度传感器装置60可以是如上所述的用于感测相对湿度的器件，或者可以是能够执行所述功能的任意器件或器件的组合，例如测量装置(未示出)，其用于测量燃料电池运行参数，并且用于使用所感测的测量值来计算反应物流中至少一个的相对湿度。
[0027]相对湿度控制器62也被固定成通过第一连通线路64与相对湿度传感器60连通。(按照短语“连通线路”，其意思是所述部件通过本领域已知的任意器件(例如电线、光纤、电磁波、由人的操作员响应于视觉标识而促动的机械阀，等等，所有这些都通过阴影线64以及下面描述的其它阴影线表示)而彼此连通。)相对湿度控制器可以是本领域已知的用于执行所述功能的任意控制器装置，例如，举例来说，计算机、响应于机电或无线电波信号的机电控制器、液压控制器，响应于视觉或听觉信号的人的操作员，等等。相对湿度控制器62还被固定成与下列部件中的至少一个相连通。控制器62可以通过第二连通线路66与固定到燃料入口线路30的燃料入口阀68相固定；通过第三连通线路70与固定到氧化剂入口线路40的氧化剂入口阀72相固定；通过第四连通线路74与固定到氧化剂入口线路40的氧化剂吹风机76相固定；通过第五连通线路78与冷却剂回路48的冷却剂控制阀43、冷却剂回路泵52和/或冷却剂回路热交换器54相固定；通过第六连通线路80与固定到阴极排出装置42的阴极排出阀82相固定；通过第七连通线路84与固定到阳极排出装置34的阳极排出阀86相固定；并且，通过第八连通线路88与固定到反应物排出气体再循环线路的反应物排出气体流速控制器(例如固定到阳极排出气体再循环线路91的反应物排出气体流速控制器89)相固定。阳极再循环线路91固定在阳极排出装置34和燃料入口线路30之间，并且反应物排出气体流速控制器可以是吹风机89、喷射器、或能够控制燃料电池反应物排出气体再循环流速的任意其它器件。
[0028]相对湿度控制器62配置成选择性控制如下项中的至少一个:在阳极流场28和/或阴极流场36内的反应物流16A，16B的压力、流动通过阳极流场28和/或阴极流场36的反应物流16A，16B的流速、在密封的冷却剂流场44中的冷却剂流体的温度、通过密封的冷却剂流场44的冷却剂流体的流速，以便每当由燃料电池20产生的功率在燃料电池20最大功率输出的大约百分之八十与大约百分之一百之间，水14从水储存器18A，18B移动到反应物流16A，16B中，并且以便每当由燃料电池20产生的功率小于燃料电池20的最大功率输出的大约百分之七十五，水14从反应物流16A，16B移动到水储存器18A，18B中。
[0029]相对湿度控制器62可以响应于从相对湿度传感器60接收的信息而控制上述参数中的一个或多个，或者控制器62可以简单地被调整以响应于燃料电池发电设备12的其它运行特征而控制所述参数的一个或多个。例如，如果发电设备12将用作固定发电设备并且在电流输出的近乎稳定状态下运行，主要影响相对湿度的变量将是周围空气条件。因此，相对湿度传感器62器件可以不需要，并且燃料电池发电设备12可以通过上述的其它相对湿度传感器装置调整以根据其它感测到的信息或仅仅响应于燃料电池的电流输出而产生反应物流16A，16B的变化的相对湿度。[0030]在优选实施例中，水储存器18A，18B包括限定在疏水阳极多孔体90中的微孔，和限定在疏水阴极多孔体92中的微孔，所述疏水阳极多孔体90被固定成与MEA 22的阳极催化剂表面24流体连通，所述疏水阴极多孔体92被固定成与MEA 22的阴极催化剂表面26流体连通。可选的水储存器18A或水储存器18A，18B可以包括上述的能够执行将水转移进入和离开反应物流16A，16B的可选结构(未示出)，例如空心纤维，在气体扩散层中的亲水组件。
[0031]在控制系统10的运行中，因为由负载(未示出)对电力的需求增加，由燃料电池20产生的电流密度增加，并且因此由MEA 22产生的热量增加并转移到阳极流场28和阴极流场36中，这导致温度上升。此增加的温度引起反应物流16A，16B内的相对湿度下降，这导致容纳在水储存器18A，18B中的水14蒸发到反应物流16A，16B中从而增加反应物流16A，16B的相对湿度。相对湿度控制器62配置成维持阳极和阴极流场26，36中至少一个内的反应物流16A，16B的相对湿度，直到燃料电池20的功率输出达到燃料电池20最大功率输出的大约百分之七十五。当反应物流16A，16B的相对湿度大于1.00时，由燃料电池20产生的水移动到水储存器18A，18B内的可利用体积中，并且过量水14在离开阴极排出装置42的阴极排出流内从燃料电池20去除。当燃料电池20的功率输出增加至预定的燃料电池最大可能功率输出的大约百分之八十与百分之一百之间时，燃料电池20内的温度增加，并且相对湿度因而降低，以致容纳在水储存器18A，18B中的水14蒸发到反应物流16A，16B中。
[0032]水储存器18A，18B还可以限定足够的水保留体积以保留充足的水，用于在对燃料电池20提出的预期高功率要求期间将反应物流16A，16B的相对湿度维持在1.00或大约1.00。特别的燃料电池20(例如用于运输车辆(未示出)的燃料电池，或用于固定发电设备(未示出)的燃料电池)将具有可预见的高功率输出的预定持续时间。由水储存器18A，18B限定的水容纳体积被定尺寸成保留足够体积的水14，从而在这种高功率输出的预定持续时间期间将反应物流16A，16B的相对湿度维持在1.00或大约1.00。由水储存器18A，18B限定的优选水容纳体积是将反应物流的相对湿度维持在1.00或大约1.00达大约五分钟的足够体积。在高功率输出的预定持续时间之后(例如五分钟的持续时间)，控制系统可以发起减免功能以使燃料电池返回从而在少于燃料电池最大功率输出的大约百分之七十五(75%)处运行。
[0033]图2给出了在图表上的模拟极坐标曲线，其示出了响应于增加的电流密度的离开燃料电池的阴极流的相对湿度上的变化。对于三百二十平方厘米的PEM，图2中所模拟的燃料电池性能产生图中的发热率，其具有通过与被模拟的燃料电池阴极流场相邻的密封的冷却剂流场的冷却剂流体的六十五摄氏度的固定温度。稳定状态的相对湿度由标绘线100表示；燃料电池热量由标绘线102表示；燃料电池电压由标绘线104表示；在冷却剂回路出口处的冷却剂流体由标绘线106表示。图2示出:反应物流的相对湿度在电流密度(如横轴上所示)为大约1.5安培每平方厘米(A/cm2)时保持在1.0以上。之后相对湿度在电流密度大于1.5 A/cm2时下降到1.0以下。如上所述，在每当燃料电池在高于1.5 A/cm2的电流密度处运行，反应物流的相对湿度降落到1.0以下时，水从燃料电池蒸发出去，导致PEM水合作用降低，从而引起燃料电池性能下降以及PEM水合作用循环不良。
[0034]图3示出了用于被模拟的燃料电池性能的图2中所描述的相同标绘线，其中通过密封的冷却剂流场的冷却剂流体的流量被除以1.5，以致流速为图2中所示流速的大约三分之二。这导致离开燃料电池的冷却剂流体的温度增加，并且更为重要的是，在大约1.1 A/cm2处导致相对湿度(在图3中以标绘线100示出)下降到1.0以下。因此，图3中所示的燃料电池性能表明:通过改变冷却剂流速来控制冷却剂流体温度是如下多种方式中的一种，所述多种方式可被本相对湿度控制器62利用以当燃料电池的电流密度或功率输出增加到超过燃料电池最大电流输出百分之八十时将通过燃料电池的反应物流的相对湿度维持在1.0或高于1.0。
[0035]本公开还包括操作密封的冷却剂流场燃料电池发电设备12，以维持通过燃料电池20的反应物流16A，16B的有效相对湿度的方法。这样操作燃料电池发电设备12的方法包括控制如下项中的至少一个:在阳极流场28和/或阴极流场36内的反应物流16A，16B的压力、流动通过阳极流场28和/或阴极流场36的反应物流16A，16B的流速、在密封的冷却剂流场44中的冷却剂流体的温度、流动通过密封的冷却剂流场44的冷却剂流体的流速；以便每当由燃料电池20产生的功率在燃料电池20最大功率输出的大约百分之八十与大约百分之一百之间，水14从水储存器18A，18B移动到反应物流16A，16B中，并且以便每当由燃料电池20产生的功率小于燃料电池20的最大功率输出的大约百分之七十五,水14从反应物流16A，16B移动到水储存器18A，18B中。
[0036]操作燃料电池发电设备12的所述方法还可以包括将足够量的水14存储在水储存器18A，18B中，用于在由燃料电池20的高功率输出的预定持续时间期间将反应物流16A，16B的相对湿度维持在大约1.00。足够量的水14的存储还可包括:存储在由燃料电池20高功率输出的五分钟持续时间期间足以将反应物流16A，16B的相对湿度维持在1.0或大约1.0的一种体积的水14。
[0037]尽管上面的公开已相对于用于密封的冷却剂流场燃料电池发电设备12的控制系统10的所描述和所阐释的实施例被给出，理解的是，本公开并不限于那些可选物和所描述的实施例。因此，应该主要参考下面的权利要求而不是前面的说明来确定本公开的范围。
【权利要求】
1.一种用于燃料电池发电设备(12)以从氧化剂反应物流(16A)和富氢燃料反应物流(16B )产生电流的控制系统(IO )，所述系统(IO )包括: a.至少一个燃料电池(20)，其包括:膜电极组件(22)，所述膜电极组件(22)具有设置在所述组件(22)的阳极催化剂表面(24)和相对的阴极催化剂表面(26)之间的质子交换膜(23);阳极流场(28)，所述阳极流场(28)被限定与阳极催化剂表面(24)并与燃料入口线路(30)流体连通，以引导富氢燃料反应物流(16B)从与阳极催化剂表面(24)相邻的燃料入口线路(30 )流动，并且作为阳极排出流通过阳极排出装置(34 )离开阳极流场(28 );阴极流场(36)，所述阴极流场(36)被限定与阴极催化剂表面(26)并与氧化剂源(38)流体连通，以引导氧化剂反应物流(16A)从与阴极催化剂表面(26)相邻的氧化剂入口线路(40)流动，并且作为阴极排出流通过阴极排出装置(42)离开阴极流场(36)； b.密封的冷却剂流场(44)，其被固定成与阳极流场(28)和阴极流场(36)中的至少一个为热交换关系，以引导来自冷却剂回路(48)的冷却剂入口(46)的冷却剂流体通过冷却剂流场(44)并通过冷却剂回路出口(50)，所述冷却剂回路被配置为用于控制在冷却剂流场(44)内的冷却剂流体的温度； c.至少一个水储存器(18A，18B)，其被固定成与阳极流场(28)和阴极流场(36)中的至少一个流体连通，并且固定成与密封的冷却剂流场(44)流体隔离，水储存器(18A，18B)被配置为用于将水从所述储存器(18A，18B)移动并进入到位于所述至少一个的阳极和阴极流场(28，36)中的反应 物流(16A，16B)中，并且用于将水(14)从位于所述至少一个的阳极和阴极流场(28，36)中的反应物流(16A，16B)移动并进入到所述至少一个水储存器(18A，18B)中；以及 d.相对湿度控制器(62)，其被固定成与燃料电池(12)连通，以选择性地控制:反应物流(16A，16B)的压力、反应物流(16A，16B)的流速、在密封的冷却剂流场(44)中的冷却剂流体的温度中的至少一个，以便每当由燃料电池(20)产生的功率在燃料电池(20)的预定最大功率输出的大约百分之八十与大约百分之一百之间，水(14)从水储存器(18A，18B)移动到反应物气体流(16A，16B)中，并且以便每当由燃料电池(20)产生的功率小于燃料电池(20)的预定最大功率输出的大约百分之七十五，水(14)从反应物气体流(16A，16B)移动到水储存器(18A，18B)中。
2.如权利要求1所述的控制系统(10)，还包括相对湿度传感器(60)装置，所述相对湿度传感器(60)装置被固定成与通过阳极流场(28)和阴极流场(36)所述至少一个的反应物流(16A，16B)连通，并且还被固定成与相对湿度控制器(62)连通，以将关于反应物流(16A，16B)相对湿度的感测信息传达到所述控制器(62)。
3.如权利要求2所述的控制系统(10)，其中，相对湿度传感器(60)装置被固定成与阴极排出装置(42)连通。
4.如权利要求1所述的控制系统(10)，其中，相对湿度控制器(62)还被固定成与:固定到燃料入口线路(30)的燃料入口阀(68)、固定到氧化剂入口线路(40)的氧化剂入口阀(72)、固定到氧化剂入口线路(40)的氧化剂吹风机(76)、固定到阳极排出装置(34)的阳极排出阀(86)、固定到阴极排出装置(42)的阴极排出阀(82)、冷却剂回路(48)中的至少一个连通。
5.如权利要求1所述的控制系统(10)，其中，水储存器(18A，18B)还包括限定在阴极多孔体(92)和阳极多孔体(90)的至少一个中的微孔，所述阴极多孔体(92)被固定成与膜电极组件(22)的阴极催化剂表面(26)流体连通，所述阳极多孔体(90)被固定成与膜电极组件(22)的阳极催化剂表面(24)流体连通。
6.如权利要求1所述的控制系统(10)，其中，所述水储存器(18A，18B)限定水保留体积，所述水保留体积被定尺寸成保留足够体积的水(14)，从而在处于燃料电池(20)预定最大功率输出的大约百分之八十与大约百分之一百之间的燃料电池(20 )功率输出的预定持续时间期间，将反应物流(16A，16B)的相对湿度维持在1.00或约1.00。
7.如权利要求6所述的控制系统(10)，其中，水储存器(18A，18B)限定水保留体积，所述水保留体积足以每当处于燃料电池(20)预定最大功率输出的大约百分之八十与大约百分之一百之间的燃料电池(20)功率输出的预定持续时间是大约五分钟时将反应物流(16A，16B)的相对湿度维持在1.0或约1.0。
8.一种操作权利要求1中的密封的冷却剂流场燃料电池发电设备(12)以控制通过燃料电池(20)的反应物流(16A，16B)的相对湿度水平的方法，所述方法包括: a.控制如下项中的至少一个:在阳极流场(28)和阴极流场(36)的至少一个内的反应物流(16A，16B)的压力、流动通过阳极流场(28)和阴极流场(36)至少一个的反应物流(16A，16B)的流速、通过密封的冷却剂流场(44)的冷却剂流体的温度、通过密封的冷却剂流场(44)的冷却剂流体的流速； b.以便每当由燃料电池(20)产生的功率在燃料电池(20)最大功率输出的大约百分之八十与大约百分之一百之间，水(14)从水储存器(18A，18B)移动到反应物流(16A，16B)中，并且以便每当由燃料电池(20)产生的功率小于燃料电池(20)的最大功率输出的大约百分之七十五，水(14)从反应物流(16A，16B)移动到水储存器(18A，18B)中。
9.如权利要求8所述的方法，还包括:在水储存器(18A，18B)内保留足够体积的水`(14)，从而在处于燃料电池(20)预定最大功率输出的大约百分之八十与大约百分之一百之间的燃料电池(20)功率输出的预定持续时间期间，将反应物流(16A，16B)的相对湿度维持在约1.00。
10.如权利要求8所述的方法，其中，控制水从反应物流(16A，16B)移动到水储存器(18A，18B)中包括:控制水以将水移动到微孔中，所述微孔限定在阴极多孔体(92)和阳极多孔体(90)的至少一个中，所述阴极多孔体(92)被固定成与膜电极组件(22)的阴极催化剂表面(26)流体连通，所述阳极多孔体(90)被固定成与膜电极组件(22)的阳极催化剂表面(24)流体连通。
【文档编号】H01M8/02GK103733406SQ201180072808
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2011年8月11日 优先权日:2011年8月11日
【发明者】R.M.达令 申请人:联合工艺公司